管式換熱器屬于壓力容器，壓力容器制造過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是焊接，焊接質(zhì)量對(duì)設(shè)備質(zhì)量起著決定性的作用。焊接質(zhì)量管理各個(gè)環(huán)節(jié)是相互制約且相互聯(lián)系的，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏漏都會(huì)造成設(shè)備的質(zhì)量缺陷，實(shí)際生產(chǎn)中必須重視換熱器的焊接質(zhì)量控制。在設(shè)備應(yīng)用中，焊接接頭承受著各種載荷、溫度的影響，同時(shí)還受到工作介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕，所以焊接接頭除應(yīng)具有與殼體相同的靜載荷強(qiáng)度外，還應(yīng)具有較強(qiáng)的塑性、韌性和耐腐蝕性。

本章從焊接前檢查、焊接中控制、焊接后檢驗(yàn)三個(gè)階段和人員資格能力、機(jī)器設(shè)備完好程度、材料、焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及焊接環(huán)境這五個(gè)焊接管理要素進(jìn)行了分析，總結(jié)出了焊接質(zhì)量的管理控制方法。

1、鈦合金管式換熱器制造質(zhì)量控制要點(diǎn)

1.1 氣體保護(hù)

由于管式換熱器的主材鈦合金受熱極易受空氣氧化，所以在焊接過(guò)程或材料被加熱至350℃以上時(shí)鈦材必須處在高純氬氣氛圍的保護(hù)下。以往不銹鋼壓力容器制造過(guò)程中，雖然也進(jìn)行氣體保護(hù)，但是鈦合金焊接過(guò)程中的保護(hù)措施要求更為嚴(yán)格，焊接時(shí)必須采用專用的氣體保護(hù)工裝進(jìn)行全封閉的保護(hù)（圖3-1）。通常采用的保護(hù)措施主要是在熱加工表面涂高溫防氧化涂料，并設(shè)置專用的氣體保護(hù)工裝保證焊縫及熱影響區(qū)雙面均有很好的氬氣保護(hù)，此外，對(duì)保護(hù)氣體氬氣的純度要求也很高，一般氬氣純度應(yīng)≮99.99%。

圖3-1 氣體保護(hù)工裝

1.2 防污染要求

鈦材的焊接應(yīng)在潔凈無(wú)塵車間進(jìn)行，自材料采購(gòu)運(yùn)輸進(jìn)廠開始到設(shè)備竣工驗(yàn)收完成的整個(gè)過(guò)程（包括制造過(guò)程中的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、切割、加工、焊接、檢驗(yàn)和試驗(yàn)、吊裝、搬運(yùn)、標(biāo)記等），均應(yīng)采取嚴(yán)格的保護(hù)措施，防止材料或工件受損傷和污染。

在鈦部件周轉(zhuǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中，必須配備必要的防鐵離子污染措施，如用尼龍帶、專用牛皮紙、銅制工具等包裹或墊固。在施焊過(guò)程中，還要對(duì)空氣中鐵離子含量隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（菲繞啉試驗(yàn)），確?？諝庵械蔫F離子含量在合理的范圍內(nèi)，以免鈦材表面受到污染。

焊接時(shí)除應(yīng)嚴(yán)格按照已經(jīng)批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程施焊外，在每次施焊前都必須按規(guī)定對(duì)母材表面采用丙酮洗液用干凈擦布擦拭清洗，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)焊接完成，以防鈦材被重新污染。

1.3 焊接裂紋

鈦的熔點(diǎn)很高（1668 ℃ ），熱容量較大，且導(dǎo)熱性差，所以在焊接時(shí)易形成較大的熔池，較高的熔池溫度使焊縫及熱影響區(qū)金屬處于高溫環(huán)境的時(shí)間比較長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大傾向較大，降低了焊接接頭的塑性和斷裂韌性，從而易產(chǎn)生焊接裂紋（圖3-2）。

圖3-2 焊接裂紋

純鈦的焊縫及熱影響區(qū)粗大的晶粒難以用熱處理方法消除，并且焊縫金屬呈鑄鈦狀，使得鈦設(shè)備焊后強(qiáng)度下降較大，因此焊接時(shí)務(wù)必嚴(yán)格控制焊接熱輸入，采用較小的焊接電流和較快的焊接速度施焊，在熔融焊時(shí)宜采用能量集中的熱源，減小熱影響區(qū)，從而避免焊接裂紋的產(chǎn)生 [30] 。

1.4 焊接氣孔

在高溫焊接時(shí)會(huì)有少量氫元素溶入熔池，焊接結(jié)束冷卻時(shí)過(guò)飽和的氫來(lái)不及從熔池中逸出，在焊縫中積聚就會(huì)形成氣孔。隨著液體溫度的升高，氫在鈦中的溶解度會(huì)降低，且在凝固點(diǎn)溫度時(shí)鈦中氫的溶解度會(huì)急劇下降（如圖3-3）。焊接時(shí)熔池中部較熔池邊緣的溫度高，熔池中部的氫會(huì)向熔合線積聚，因此在熔池邊緣處較易形成過(guò)飽和氫，內(nèi)部會(huì)生成氫氣孔。

換熱器管板上焊縫多，一般換熱器有幾百至幾千個(gè)焊口，并且焊接位置較為苛刻，若焊接工藝掌握不好，焊縫中極易產(chǎn)生氣孔等缺陷 [16， 30] 。焊接接頭中的氣孔不僅會(huì)造成焊縫應(yīng)力集中，而且由于氣孔的存在，會(huì)使周圍金屬的塑性降低，從而使整個(gè)焊接接頭力學(xué)性能下降，更嚴(yán)重甚至直接導(dǎo)致焊接接頭的破壞斷裂。

焊接氣孔有時(shí)難以從檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，而且焊后檢測(cè)只能作為一種事后的控制，因此要提高換熱器管板的焊接質(zhì)量，必須通過(guò)改善和提高焊接和制造工藝來(lái)達(dá)到。

為了避免氣孔的產(chǎn)生，應(yīng)至少采取以下幾個(gè)措施：

1)焊前應(yīng)清除母材和焊絲表面的油污及氧化物膜等有機(jī)物質(zhì)，確保母材中氫、氧、氮等雜質(zhì)元素的含量不超標(biāo)，施焊前必須按規(guī)定對(duì)母材和焊絲表面采用丙酮洗液用干凈擦布擦拭清洗，進(jìn)行真空去氫處理來(lái)改善焊絲的含氫量和表面清潔度。

2)焊接時(shí)采用機(jī)械方法加工坡口端面，并保證平整光滑，除應(yīng)嚴(yán)格按照已經(jīng)批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程施焊外，還應(yīng)在焊件清理后及時(shí)進(jìn)行焊接，焊接時(shí)間間隔一般不超過(guò)2h，否則要妥善保存已處理過(guò)的母材和焊絲，并在施焊時(shí)重新進(jìn)行清洗。

3)焊接過(guò)程中按照焊接工藝要求，正確選擇焊接工藝參數(shù)，延長(zhǎng)焊槍在熔池停留時(shí)間，以便于氣泡的逸出，減少氣孔的產(chǎn)生 [31] ，而且還要控制好氬氣的流量，防止紊流現(xiàn)象。

4)采用真空電子束焊或等離子弧焊等高積聚熱量的焊接方法，避免較大面積的使母材受熱氧化，焊接時(shí)采用低露點(diǎn)氬氣進(jìn)行保護(hù)，保證其濃度≮99.99%。

圖3-3 氫在高溫鈦中的溶解度

1.5 換熱管加工

換熱管是管式換熱器的關(guān)鍵部位。資料表明，大多數(shù)換熱器泄漏往往是由于換熱管部位產(chǎn)生泄漏引起的。制造換熱器的管材按要求需進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)、腐蝕試驗(yàn)、低倍檢查、逐根水壓試驗(yàn)等來(lái)檢查管材是否有變形或泄漏，以此來(lái)確保換熱管質(zhì)量合格。

在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)要留出換熱管厚度的腐蝕裕量，一般鈦容器的腐蝕余量定為1mm，當(dāng)應(yīng)用中換熱器工作介質(zhì)為高濃度強(qiáng)酸等強(qiáng)腐蝕性液體時(shí)，為保守起見(jiàn)，還應(yīng)在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大管材壁厚 [48] ，本次課題設(shè)計(jì)時(shí)換熱管規(guī)格選取的是φ30×4的無(wú)縫鈦管，腐蝕裕量定為2mm，由于管壁較厚，因此需要較大的脹接壓力 [9] 。我們經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，制定了脹接工藝評(píng)定報(bào)告，并經(jīng)過(guò)了業(yè)主方的前期審核。換熱管與管板之間的連接是通過(guò)先液壓脹再焊接的方法來(lái)固定的 [23] （見(jiàn)圖3-4）。通過(guò)制作工藝試板，不斷的試脹，檢驗(yàn)脹接前后的管內(nèi)徑、測(cè)量脹后換熱管的拉脫力，計(jì)算出脹接率，進(jìn)行拉伸等力學(xué)性能試驗(yàn)，得出脹接壓力為400Mpa，如此高的脹接壓力，必然對(duì)脹管設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)等要求都很高 [29] 。

圖3-4 換熱管與管板接頭形式

由圖3-2看出，換熱管與管板連接處只有中間17mm需要貼脹 [23] ，兩端不脹，液壓貼脹后再對(duì)換熱管與管板進(jìn)行焊接 [50] 。

2 、制造準(zhǔn)備階段的質(zhì)量控制

2.1 編制質(zhì)量計(jì)劃

GB/T19000-2008中對(duì)“質(zhì)量計(jì)劃”的定義是：“對(duì)特定的項(xiàng)目、產(chǎn)品或合同規(guī)定由誰(shuí)及何時(shí)應(yīng)使用哪些程序和相關(guān)資源的文件”。質(zhì)量計(jì)劃提供了一種途徑將某一產(chǎn)品、項(xiàng)目或合同的特定要求與現(xiàn)行的通用質(zhì)量體系程序聯(lián)系起來(lái)。

在設(shè)備生產(chǎn)前首應(yīng)編制管式換熱器及各個(gè)零部件的制造加工工藝文件，將生產(chǎn)過(guò)程分解細(xì)化，形成以各個(gè)主要零部件的制造工藝過(guò)程和組裝、試驗(yàn)、包裝和運(yùn)輸?shù)葹橹饕獌?nèi)容的質(zhì)量計(jì)劃，并根據(jù)工序的重要性確定質(zhì)量控制點(diǎn)：停工待檢點(diǎn)（H點(diǎn)）、現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證點(diǎn)（W點(diǎn)）、文件見(jiàn)證點(diǎn)（R點(diǎn)）。

一、停工待檢點(diǎn)(H 點(diǎn))

產(chǎn)品質(zhì)量有重大影響的關(guān)鍵檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)設(shè)為 H 點(diǎn)，該項(xiàng)目未經(jīng)檢驗(yàn)合格，不得進(jìn)入下一道工序。對(duì)于 H 點(diǎn)，監(jiān)理人員要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查見(jiàn)證，保證制造過(guò)程和結(jié)果符合設(shè)計(jì)文件要求。

二、現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證點(diǎn)(W 點(diǎn))

對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有影響的重點(diǎn)檢驗(yàn)項(xiàng)目和隱蔽驗(yàn)收項(xiàng)目可設(shè)為 W 點(diǎn)。對(duì)于 W 點(diǎn)，設(shè)備監(jiān)理人員一般應(yīng)到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)造見(jiàn)證。在不能到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，則應(yīng)對(duì)制造廠提供的見(jiàn)證資料審查確認(rèn)。

三、資料審查點(diǎn)(R 點(diǎn))

影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要檢驗(yàn)項(xiàng)目可設(shè)為 R 點(diǎn)，對(duì)于 R 點(diǎn)，設(shè)備監(jiān)理人員對(duì)制造廠提供的相關(guān)資料進(jìn)行審查和確認(rèn)。如：檢查各零件原材料質(zhì)量證明文件審查；檢查加工制造工藝方案及各工序檢驗(yàn)資料審查；外包零件入廠驗(yàn)收資料審查；各部件包裝方案及包裝資料審查等。

試驗(yàn)中將原材料外購(gòu)件檢驗(yàn)、換熱管檢驗(yàn)、換熱管脹接、換熱管與管板組焊、殼程水壓試驗(yàn)、管程水壓試驗(yàn)、殼程氦檢漏試驗(yàn)、管程氦檢漏試驗(yàn)設(shè)為停工待檢點(diǎn)（H 點(diǎn)），并在產(chǎn)品制造過(guò)程中重點(diǎn)控制 [52] 。

2.2 編制質(zhì)量保證大綱及有關(guān)的質(zhì)量管理程序

為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，制造廠需編制質(zhì)量保證大綱（以下簡(jiǎn)稱質(zhì)保大綱）。質(zhì)保大綱的內(nèi)容包括：應(yīng)達(dá)到的質(zhì)量目標(biāo)、各階段責(zé)任和權(quán)限的分配、應(yīng)采用的特定程序、作業(yè)指導(dǎo)書、達(dá)到質(zhì)量目標(biāo)必須采取的其他措施等。

質(zhì)保大綱應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品項(xiàng)目的特定要求，做到針對(duì)性強(qiáng)，規(guī)格嚴(yán)謹(jǐn)、可操作性強(qiáng)，質(zhì)量保證大綱及有關(guān)的質(zhì)量管理程序一旦制定必須確保執(zhí)行，各個(gè)職能部門都應(yīng)嚴(yán)格按照質(zhì)保大綱的規(guī)定正常運(yùn)轉(zhuǎn) [17] 。

2.3 編制焊接工藝評(píng)定報(bào)告

焊接前，應(yīng)由焊接工程師根據(jù)母材和焊材的特性及焊接的工況條件進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，編制焊接工藝評(píng)定報(bào)告。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)應(yīng)在質(zhì)檢部門和焊接工程師的監(jiān)督下進(jìn)行，只有焊接工藝評(píng)定合格后，才能依據(jù)焊接評(píng)定報(bào)告制定焊接作業(yè)指導(dǎo)書，在車間生產(chǎn)時(shí)按照作業(yè)指導(dǎo)書的要求對(duì)工件施焊。對(duì)焊接工藝評(píng)定的監(jiān)督檢查,具體可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：

1)檢查母材是否符合技術(shù)條件的要求，并要求材料廠家提供產(chǎn)品質(zhì)量保證書，進(jìn)廠時(shí)嚴(yán)格按照質(zhì)保大綱的要求對(duì)原材料進(jìn)行驗(yàn)收，參照標(biāo)準(zhǔn)和訂貨技術(shù)協(xié)議進(jìn)行審核并與實(shí)物進(jìn)行核對(duì)，此外，還需對(duì)外觀質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)量，打上材料標(biāo)記、試樣號(hào)和檢驗(yàn)員確認(rèn)鋼印，并做好有關(guān)檢驗(yàn)記錄，當(dāng)技術(shù)規(guī)格書有復(fù)驗(yàn)要求時(shí)需還需進(jìn)行復(fù)驗(yàn)；

2)檢查焊接材料是否符合技術(shù)條件的要求，并要求焊材生產(chǎn)廠家提供焊條或焊絲的產(chǎn)品質(zhì)量保證書，進(jìn)廠時(shí)嚴(yán)格按要求對(duì)原材料進(jìn)行驗(yàn)收，參照標(biāo)準(zhǔn)和訂貨技術(shù)協(xié)議進(jìn)行審核并與實(shí)物進(jìn)行核對(duì)，此外，還需對(duì)外觀質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)量，打上材料標(biāo)記、試樣號(hào)和檢驗(yàn)員確認(rèn)鋼印，并做好有關(guān)檢驗(yàn)記錄，當(dāng)技術(shù)規(guī)格書有復(fù)驗(yàn)要求時(shí)需還需進(jìn)行復(fù)驗(yàn)；

3)檢查母材、焊材的接頭形式、坡口坡度及開口形式、焊接位置、焊接試件形式及尺寸、焊接參數(shù)設(shè)置、焊后無(wú)損檢測(cè)、焊后破壞性試驗(yàn)等其它技術(shù)因素對(duì)規(guī)范的符合性。

2.4 檢測(cè)儀器、儀表以及加工設(shè)備

換熱器制造過(guò)程中通常會(huì)用到的儀器、儀表包括：電流表、電壓表、千分尺、流量計(jì)、壓力表等（圖 3-5）。對(duì)設(shè)備加工制造過(guò)程所用的檢測(cè)儀器、儀表等進(jìn)行檢查和監(jiān)督是事前監(jiān)督的重要內(nèi)容，通常檢查的內(nèi)容主要包括：儀器、儀表是否經(jīng)過(guò)標(biāo)定且在有效期內(nèi)；儀器、儀表配備的數(shù)量是否滿足加工的需要；用于檢驗(yàn)的設(shè)備性能是否能滿足試驗(yàn)的要求等。

用于容器加工的設(shè)備有車床、銑床、鏜床以及焊接設(shè)備，對(duì)加工設(shè)備的檢查主要包括檢查加工設(shè)備的類型、特點(diǎn)和規(guī)格尺寸，特別檢查其技術(shù)參數(shù)和精度是否滿足設(shè)備制造質(zhì)量的要求。

圖 3-5 焊接用電流表